Analyse des 3D-Faserspritzverfahrens zur Fertigung komplexer und funktionsintegrierter RTM-Strukturbauteile

Faserverstärkte Kunststoffe (FVK) werden aufgrund ihres hohen Leichtbaupotenzials zunehmend für die Fertigung von Bauteilen der Automobil- und Luftfahrtindustrie aber auch in Nutz- und Schienenfahrzeugen und dem allgemeinen Maschinenbau eingesetzt. Der steigende Einsatz von FVK in diesen Anwendungen bedingt Fertigungsverfahren, welche eine wirtschaftliche Fertigung hoher Stückzahlen ermöglichen. Ein Fertigungsverfahren, welches die Fertigung von FVK-Strukturbauteilen in hohen Stückzahlen ermöglicht, ist das Resin Transfer Moulding (RTM)-Verfahren und dessen Weiterentwicklungen. Ein „Bottle-Neck“ der RTM-Prozesskette bildet die Fertigung vorkonfektionierter dreidimensionaler Verstärkungsfasern, sogenannter Preforms. Der Prozessschritt des Preforming kann aufgrund zeitintensiver und auch manueller Arbeitsschritte hohe Bauteilkosten verursachen. Faserspritzverfahren ermöglichen grundsätzlich eine hochproduktive Fertigung dreidimensionaler Preforms. Ein großer Nachteil der Faserspritzverfahren liegt darin begründet, dass das Leichtbaupotenzial des Werkstoff s nicht vollständig ausgenutzt wird, da die Verstärkungsfaser bei hohen Austrags raten nicht orientiert abgelegt werden können, beispielsweise entlang von Lastpfaden. Die durchgeführten Untersuchungen der vorliegenden Arbeit haben zum Ziel, das 3D-Faserspritzverfahren zur Fertigung von Preforms für die Weiterverarbeitung im RTM-Verfahren weiterzuentwickeln und grundlegend zu untersuchen. Dabei sollen bei hohen Austragsraten die Verstärkungsfasern mit einer einstellbaren Faserorientierung abgelegt werden können. Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit erfolgt die Auswahl und Analyse geeigneter Materialien vor dem Hintergrund einer automatisierten Preformfertigung mittels des 3D-Faserspritzverfahrens. Zur Fertigung von Preforms für Strukturbauteile ist es notwendig die Verstärkungsfasern gezielt orientiert ablegen zu können. Daher wird im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit der Einfluss entscheidender Prozessparameter des 3D Faserspritzverfahrens auf die erzielbaren Faserorientierungen umfassend analysiert und diskutiert. Darauf aufbauend werden im Rahmen einer Vergleichsuntersuchung die mechanischen Eigenschaften der fasergespritzten Bauteile mit konventionellen endlosfaserverstärkten und langfaserverstärkten Bauteilen verglichen. Zudem erfolgt ein Ausblick auf die Fertigung komplex geformter Bauteile sowie die Integration von Funktionselementen im 3D-Faserspritzverfahren.